RISC-V为什么能成功？
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2022-03-06 15:54
RISC-V 处理器架构的引入令人兴奋，这是无可争议的。然而，尽管许多人将其称为更广泛的开源硬件运动的预兆，但其成功背后的原因并不明显，而且对扩展更多开源内核的影响还远未确定。
这并不是第一次将处理器实现或指令集架构(ISA) 置于公共领域。业界到处都是它们，包括 OpenPOWER、OpenSPARC、OpenRISC 等等。虽然每个都获得了一定程度的牵引力，但与 RISC-V 在很短的时间内取得的成功相比，它们都显得苍白无力。
在与RISC-V社区的人们交谈时，有两个词经常重复——免费和自由。有些人想要免费的内核，而另一些人则想要自由地使用内核做任何他们想做的事情。对这些人来说，免费几乎无关紧要，因为他们会花很多钱来获得他们想要的东西。
不断变化的市场
RISC-V 的兴起恰逢业内其他一些事件。首先是摩尔定律的放缓，这意味着总处理能力的增加不再伴随每个新的制造节点到来而实现。第二个是机器学习的高速发展，需要处理能力的大幅提升。那么这只是一个正确的地点，正确的时间问题吗？
其实，在此期间，大家对处理器的看法发生了变化。“硬件设计过程社区对自由的要求推动了 RISC-V，” 电子产品是由它们的功能定义的，其中很多是由运行在处理器上的软件定义的。今天，一切都需要某种形式的机器学习。不管我们是在谈论你的手机，拍出更好的照片，不管是什么，都需要大量的计算。人们意识到他们需要大量的处理器。他们需要自己的处理器结构。您需要以您想要的方式配置它们。现成的技术对您没有帮助。因此，电子产品市场发生了变化，“我们需要自由来构建芯片，以及构建处理器和这些芯片中的处理器结构的自由。”
所有这一切都需要在新一代系统公司进入市场的背景下进行审视，每家公司都有独特的经济理由。但这些系统公司确实有一个共同点，那就是他们不会试图销售他们开发的芯片。相反，他们销售的服务在某种程度上是由这些产品推动的。他们无法从可用的市场上买到合适的产品，因此他们准备自己开发芯片，同时还通过贡献和合作推动一些必要的创新。在这种情况下，RISC-V 发挥着重要作用。
RISC-V 的不同
RISC-V 创造的突破是多个领域，他们在每个领域成功的原因都不同。要理解这一点，有必要将 RISC-V 成功的各个方面分开。
首先是架构本身。其次是大量可用的架构开源实现。第三个领域是围绕处理器内核的支持内核。最后，还有必要的工具来帮助实施和验证 RISC-V 处理器。
它最初是为了满足特定需求而创建的。“它现在拥有大量资源，” Imperas 的 Davidmann 说。“最初，来自大学、学者、大学里的聪明人创造了一件好事。从位于硅谷中部的伯克利出来以后，它从前伯克利毕业生那里获得了一些动力。
大家对其的兴趣远超 OpenRISC 。大学需要它，他们推动了它。”
RISC-V 现在是一个开放标准的 ISA，它被加州大学伯克利分校贡献出来，由一个行业非营利组织——RISC-V International 负责管理。许多大学都创建了开放核心，例如伯克利的 Rocket 核心、苏黎世联邦理工学院及其pulp平台等。今天，有许多行业协作组，将行业和学术界聚集在一起，构建开源核心，并将它们提供给整个社区。示例包括 CHIPS 联盟和 OpenHW 工作组。
许多国家制定了满足当地需求的举措。印度有其 Shakti 计划，最后被IIT Madras驱逐。在以色列，GenPro 联盟将工业界和学术界聚集在一起。日本和中国也有其他类似的项目，他们正在将 RISC-V 核心构建为开源，以便将它们提供给他们的社区并满足他们的特定利益。
RISC-V 是第一个开放和可定制的 ISA。“目前，与 RISC-V 相关的主要工业兴趣不是开源实现，而是开源指令集，” Fraunhofer IIS高级系统集成组负责人和高效电子部门负责人 Andy Heinig 说'。“有了这个，环境是标准化的，但实际的实施是公司特定的和公司所有的。我们在芯片到芯片接口领域看到了类似的活动，不同的标准正在准备和讨论中。在这里，标准也允许来自不同供应商的芯片之间的互操作性。RISC-V 允许在软件方面实现互操作性。”
进行修改的能力很重要。“支持自定义扩展的开源 ISA（如 RISC-V）的出现为处理器设计人员提供了难以置信的自由度，” Valtrix Systems的首席执行官兼联合创始人 Shubhodeep Roy Choudhury 说。“与此同时，它提出了一个非常有趣的验证挑战。确保所有设计都合规且功能正确，需要改变测试生成器的设计方式。它们需要高度可配置，以允许验证自定义功能以及遗留/基线功能。”
这是从开放 ISA 到开源处理器的一大飞跃。“开源 IP 的概念非常诱人，因为它让人联想到免费 IP 的概念，” Flex Logix的 IP 销售和营销副总裁 Andy Jaros 说。“然而，开源并不是免费的。大多数公司，除非他们想在 IP 开发上投入大量资源，否则会从 Open5、Andes 等众多 IP 供应商处获得预先实现的 RISC-V 内核的许可。这节省了开发时间、验证、软件开发等，以及保证和赔偿。”
让多家公司开发竞争核心可以促进实施中的创新。“RISC-V 的真正价值在于它提供了与Arm 竞争的可能，而不是因为它是开源的，”Jaros 补充道。“有多个 RISC-V 核心供应商提供选择并促进竞争。但使用 Arm，您只能从 Arm 获得 Arm 内核。”
另一个驱动因素是核心数量的迅速增加，这使得根据实例支付版税变得不那么可取。“人们在整个设计中都需要处理器，”Davidmann 说。“他们想要大量的小型处理器，而现有的许可条款相当困难。当然，它很昂贵，但更重要的是，它在更改它的自由方面受到限制。我不相信 RISC-V 的成功是因为它便宜或成本更低。如果您只想做与 Arm 核心相同的事情，那么您绝对应该购买 Arm 核心，因为它经过了很好的验证。它设计得非常好。这正是你想要的。使用 RISC-V 的唯一原因是因为你想要自由地改变它并添加你自己的东西。”
即使有这一切，如果没有围绕它发展的生态系统，RISC-V 可能也不会成功。“开源社区开发了关键工具，这些工具对于使基于 RISC-V 的处理器无处不在至关重要，例如芯片技术工艺设计套件、设计验证套件、实施工具等，”RISC-V International 的 Cetola 说。“这也使 VLSI 设计的民主化成为可能，通过开发更高级别的设计描述语言和先进的开源自动化工具来加速设计的开发，使 RISC-V 的功能更进一步。借助设计工具和工具链，RISC-V 将很快变得无处不在。”
OpenHW Group 是使这成为可能的行业合作组织之一。它正在开发处理器内核和支持内核的周边 IP。此外，它正在部署一整套用于设计和验证这些内核的工具。“他们做事的方式不同，Davidmann 说。“一个是他们给你来源，这样你就可以改变它。更重要的是，它们还为您提供了一个验证环境，因此如果您进行更改，您知道它仍然有效。如果有人只是向你扔一个核心，而你更改了一些代码，那么你就有可能破坏了某些东西。您需要一个复杂的验证环境才能知道您没有破坏它。这就是 OpenHW 在开源硬件领域与众不同的地方，因为它们提供了完整的验证环境。如果您添加一条新指令，您就知道您没有破坏其余的指令。我认为人们不会只使用 OpenHW 核心并使用它。这没有多大意义。如果你想省钱，你可以这样做。但是它允许你做的是接受它并扩展它，这是一个非常好的起点。那是关键。你不是从头开始的。”
扩大范围
这种开源势头能否扩展到处理器内核之外？处理器是完整 SoC 的一小部分。它还需要内存控制器和内存接口、USB、PCI 等等。这些内核没有为产品提供差异化，许多人也希望这些内核是开源的。
问题是这些内核非常复杂，并且它们包含模拟部件，这些模拟部件往往是针对每种代工厂和工艺技术进行定制设计和实施的。虽然控制器可以以开源方式构建，但可以提出论点，即不将数字和模拟部分紧密集成会导致产品质量低劣。
LowRISC 是一个在英国成立的组织，它最初想建立一个与 Raspberry Pi 相当的开源系统。今天，它在一个完全协作的框架中开发硬件和软件。这包括 RISC-V 内核，以及支持它的软件编译基础设施。
最近，谷歌为硅信任根创建了规范和 IP。它开源了这项工作，并委托 lowRISC 进行管理。这里的部分重点是开放和透明最终会提高安全性和可信度，而不是修改规范的能力。
结论
RISC-V 启用并促进了创新。虽然免费可能对行业的一部分很重要，但真正的关键是自由。这种自由将志同道合的人、公司和组织聚集在一起，开辟新天地。与深度扩展相比，它不太可能导致广度扩展。虽然额外的硬件模块可能是开源的，但也许最重要的收获将是能够快速采用处理器的开放规范并实施它。
当工程师停止开发他们自己的定制处理器时，针对处理器开发和验证的工具就消失了，因为在 1980 年代它们几乎没有提供任何差异化。现在处理器再次变得高度差异化，业界正在合作开发必要的工具。一个尚未回答的问题是，他们是否能够比 EDA 行业提供的更快地创建开源工具。
来源：半导体行业观察
原文链接：
https://semiengineering.com/why-risc-v-is-succeeding/
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